褐藻酸和褐藻酸盐的分离提取及应用研究进展

张楠，魏琦峰，任秀莲

（哈尔滨工业大学（威海）海洋科学与技术学院，山东 威海 264209）

褐藻酸（alginic acid），又名褐藻胶，分子式（C6H8O6）n，是由 β-D-甘露糖醛酸（M）和 α-L-古罗糖醛酸（G）通过1，4-糖苷键聚合而成的天然线性高分子多糖，以钙及钠盐的形式存在于褐藻的细胞壁中[1]。褐藻酸盐，一般是指褐藻酸与一价或二价金属离子形成的高分子化合物，其中最常见的是褐藻酸钠、褐藻酸钙。

褐藻酸和褐藻酸盐的特殊结构决定其具有特殊的凝胶能力，结构中的G、M单体以3种方式组合：GG、MM和GM，G、M单体和3种链段的含量都会影响褐藻酸盐的性能[2]。褐藻酸盐中，M含量高的硬度小、柔韧性好；G含量高的硬度大但易碎[3]。通过调整其中两种单体的比例可以生产出强度不同的凝胶[4]，以便应用于不同行业中。

褐藻酸和褐藻酸盐能在人体中发生阳离子的交换，吸收体内某些重金属离子，从而调节人体的新陈代谢；它们还具有良好的生物相容性、抗氧化性、凝胶性等性能，因此被广泛应用于食品、生物医学、日用化工品、纺织印染及废水处理等领域[5-7]，并且在医疗卫生、食品工业领域的应用占据了它们全球市场的绝大部分。目前，工业上主要采用碳酸钠消化褐藻的方式提取褐藻酸/褐藻酸盐，此方法相对成熟，但仍然存在很多问题，如：工艺繁琐，产品质量易受多方面因素影响等。因此，探索出一种能够选择性浸出褐藻酸盐的碱性试剂对工艺优化有着重要意义。

1 海藻中褐藻酸和褐藻酸盐的提取工艺

褐藻酸和褐藻酸盐主要存在于各种褐藻类植物中。目前提取工艺中常用的原材料有泡叶藻、海带、马尾藻和墨角藻。FOUREST E等[8]的研究结果显示，4种褐藻中褐藻酸盐的分子量顺序为墨角藻＜泡叶藻＜马尾藻＜海带，且其黏度随着分子量的增大而逐渐增大。其中，海带中的褐藻酸盐分子量大、含量高、较易被提取，因此国内主要使用海带来提取褐藻酸盐。褐藻酸和褐藻酸盐常用的提取方法包括热水浸提法、化学法和酶解法，此外还有物理法和非等温自水解法两种新型的提取方法。

1.1 热水浸提法

作为一种传统的褐藻酸和褐藻酸盐提取方法，热水浸提法是利用多糖溶于热水的性质[9]，在热力作用下，海藻的细胞原生质发生质壁分离，水与细胞质充分接触，从而溶解液泡内的多糖到浸出液中。Kim Ga-Yeong等[10]以海带为原料，比较水和碳酸钠提取褐藻酸盐的效果。在温度较低的情况下，2%的碳酸钠溶液提取褐藻酸盐的得率为21.06%，较水提法提高56.58%，效果更好。水提法中，中性的浸出环境可减少多糖的水解，得到完整的多糖分子[11]，但也降低了得率、产生了大量不易处理的废液，不适用于工业化生产。因此，国内外研究者提出了非等温自水解法、化学法、酶解法和物理法，通过使用生化试剂或增强外部能量的方式破坏细胞壁，以提高多糖的提取率。

1.2 非等温自水解法

非等温自水解法是一种新型的提取方法，其原理是在传统水提法的基础上增大压力，在一定的温度范围内用热压缩水对海藻进行自动水解处理，以加大褐藻酸盐的溶出。Noelia Flórez-Fernández等[12]以海藻为原料，将水与海藻按照质量比30∶1混合在加压反应器中，在7.5个大气压、120℃～220℃条件下反应，最终在160℃获得褐藻酸盐。一系列表征显示所提取的褐藻酸盐与商业褐藻酸盐的性质相当，是高质量的褐藻酸盐。

1.3 化学法

化学法即酸碱法，通过酸碱试剂的加入破坏植物的细胞壁和细胞膜，促进褐藻胶的溶出，是工业上提取褐藻胶的主要方法。提取工艺主要包括脱色、酸凝和消化3个步骤[13]，其中碳酸钠是常用的碱性试剂，虽然该方法有着操作方便、设备简单且耗能低等特点，但会产生大量酸碱废液，对环境造成一定的负担。Mohammed Akeem等[14]以马尾藻为原料，探究多阶段提取褐藻酸钠的最佳条件。用0.5 mol/L硫酸在40℃下对马尾藻进行预处理，硫酸与海藻体积比为15∶1；再用5%的碳酸钠溶液在65℃条件下将其浸泡2 h，溶液与海藻体积比仍为15∶1，则褐藻酸钠的得率可达到19%。试验过程中酸或碱的浓度过高，都会导致褐藻酸钠的提取率降低。Mohamed Fertah等[15]为研究温度对提取率的影响，以海藻L.digitata为原料，用2%碳酸钠溶液提取5 h，结果表明在40℃下得率最高，为44.01%；Vauchel P等[16]同样以海藻L.digitata为原料，取固液比为1∶20（g/mL），在20℃下用4%的碳酸钠溶液提取褐藻酸钠，得率达到38%。可见化学法是提取褐藻胶的较佳选择。

1.4 酶解法

酶解法由于高效、专一且条件温和等特点，被广泛应用于植物多糖的提取[17-18]。酶能够分解细胞壁，使细胞中的细胞质和细胞间液溶解出来，浸出液再经分离纯化可得到褐藻酸。陈宏等[19]使用纤维素酶处理海带，之后加入碳酸钠溶液浸出褐藻酸钠，得率可以达到42.46%。李晓等[20]用酶解法提取铜藻中的褐藻酸钠，与传统工艺对比，提取率提高了46.7%，且物质消耗和废水排放量都优于传统法。田洪芸等[21]以海带为原料，首先使用纤维素酶和果胶酶，在pH 4.5、55℃环境下进行2 h水解，再加入同等质量的木瓜蛋白酶，在pH 8.5、85℃条件下水解2 h，最后煮沸10 min以钝化酶活性，所得褐藻酸钠的得率为24.67%，虽然得率较高，但也存在一定的局限性——试验过程中的温度、pH值都会影响酶的活性，加大了试验难度。除了对试验条件要求苛刻外，高成本也使得酶解法不适用于大规模生产，同时褐藻酸盐的提取需要复合酶的作用，加大了研究难度。因此，还需进一步研究开发高活性、高纯度的酶制剂，以达到提高提取效率、降低成本的目的。

1.5 物理法

除了以上通过加入化学试剂和酶的方法，物理法也常用来提取植物多糖。常用的两种方法是超声辅助提取法和微波辅助提取法，原理是借助外力的作用震碎植物的细胞壁，使得多糖进入浸出液中。

1.5.1 超声辅助提取法

超声辅助提取法是利用超声波的空化作用震碎植物的细胞壁[22]，加速褐藻胶溶出的一种新型方法。Flórez-Fernández N 等[23]使用超声辅助法提取钝马尾藻中的褐藻酸钠，超声设定条件为1.5 A、150 W、40 Hz，在25℃下用水提取5 min～30 min，再通过离心、酸浸出等方式可制备得到褐藻酸钠凝胶。可以看出此方法的提取时间明显减少，且经检测得知，此凝胶具有稳定和热可逆的特性。Youssouf Latufa等[24]以海藻为原料，取固液比为10 g/L，在pH 11条件下提取30 min，以确定试验最佳的温度和超声功率。试验结果表明，温度90℃、超声功率50 W时，褐藻酸钠的得率达到27%。该方法减少了化学物质的使用，同时可缩短反应时间，且提取率与传统酸碱法相当，但对多糖的结构有一定的破坏作用。

1.5.2 微波辅助提取法

微波法作为一种更快、更有效的生物质处理方法，它是通过微波诱导使植物中水分子产生振动，导致温度升高、细胞壁破裂、胞内物质释放到浸出液中[25]，从而达到提取褐藻酸盐的目的。YUAN Y等[26]使用0.1 mol/L碳酸钠溶液提取巨藻Ascophyllum nodosum中的褐藻酸盐，用100℃微波辐射10 min，使褐藻酸盐的得率达到18.24%。相比于其他方法，时间短、效率高。鉴于传统水提法温度高、时间长，陈以勇等[27]使用微波辅助提取法提取紫菜中的多糖，提取时间大幅度降低，从原来的6 h缩短到14 min。该方法相比其他热溶剂萃取法具有很多优点，但至今未工业化，主要是工厂难以达到其生产所需的条件[28]。因此，采用微波法分离提取褐藻酸和褐藻酸盐的研究还有待加强。

超声法和微波法除了单独使用外，还可以同时用于海藻中褐藻酸/褐藻酸盐的提取。田洪芸等[29]利用超声-微波协同处理海带，碳酸钠消化得到其中褐藻酸钠，提取率达到88.6%，可见其协同作用的效果明显。

几种提取方法的优缺点比较见表1。

表1 褐藻酸和褐藻酸盐提取方法优缺点比较Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of algin acid and alginate extraction methods

通过表1的比较，可以看出热水浸提法的得率较低且资源消耗大，在工业生产中很少被使用；非等温自水解法提取的褐藻酸盐纯度高，但成本较高，不适用于工业化生产；超声辅助提取法和微波辅助提取法提取效率高、时间短，但振动频率过高会导致褐藻胶发生降解，黏度降低，影响其后续应用，所以还需进一步探究超声/微波条件对多糖结构的影响；酶解法得率高且环境污染小，但其成本较高，需研究开发高效的酶制剂以降低成本，使其在工业中得到更广泛的应用；化学法成本低、操作简单且得率高，工业上应用更为广泛，但工艺步骤繁琐且产生大量废液废渣，给环境带来一定的负担，所以若能找到选择性浸出褐藻胶的碱性试剂，则能够简化工艺步骤，避免资源的浪费。

2 褐藻酸和褐藻酸盐的应用研究

褐藻酸和褐藻酸盐作为一种从褐藻中提取的天然高分子多糖，具有止血、抗氧化[30]、抗病毒、降血脂[31]和免疫调节等生物活性，其结构中特有的G、M单体的比例决定了褐藻酸盐的性能。由于其良好的生物相容性，还被用作抗癌药物的输送载体。下面对褐藻酸和褐藻酸盐在食品、生物医药及其他领域的应用进行详细的介绍。

2.1 在食品行业的应用

2.1.1 食品添加剂

褐藻酸和褐藻酸盐具有独特的凝胶性能及增稠作用，可以作为食品添加剂应用于不同类型的食品中[32]。相比于传统的添加剂，褐藻酸盐具有更广泛的用途，如用作冰淇淋，混合饮料中的稳定剂；果酱、布丁等中的增稠剂和乳化剂；挂面、糕点等中的水合剂；冷冻食品中的胶凝剂；宠物食品中的粘合剂。具体的用量及用途见表2[33]。

表2 褐藻酸和褐藻酸盐在各种食品中的主要作用及用量Table 2 The main role and dosage of alginic acid and alginate in various foods

2.1.2 功能食品

褐藻酸和褐藻酸盐是一种可食用且不被人体消化的天然大分子多糖，在肠胃中起到吸附、润滑[34]和凝胶过滤等作用，从而调节人体的新陈代谢。它还具备以下保健功能：降血糖[35]、降血压、增强免疫力、增强饱腹感、调节肠胃功能[36]等，在功能食品市场有巨大的潜力。

2.1.3 保鲜涂膜和包装膜

褐藻酸钠安全性高，具有良好的抗菌性、保湿性、成膜性和透气性等特点[37]，能够减弱食物的呼吸作用和褐变反应，延长食物的保鲜期，是很好的涂膜剂，被广泛应用于蔬菜瓜果的保鲜中[38]。它易溶于水，能够形成均匀而黏稠的液体进一步加工成透明的薄膜用于食品的包装中，该包装膜强度高、隔离性好、可食用，且具有一定的保健功能，可用于开发多种可食用性包装膜。

2.2 在生物医学方面的应用

2.2.1 医药制剂

褐藻酸盐具有良好的生物相容性和特殊的黏性，不同的分子量和聚合度使它能够形成不同黏度的产品被广泛应用于各种医药制剂[39]，如：片剂制作过程中的黏合剂、增稠剂、乳化剂、助悬剂和凝胶形成剂；缓释制剂的载体材料[40]；涂膜剂的成膜材料等[41]。此外，以褐藻酸为原料开发的药品藻酸双酯钠（poly saccharide sulphate，PSS）[42]等已被临床医学广泛使用。

2.2.2 医用敷料

医用敷料是用来覆盖皮肤创面的医用材料[43]。早在20世纪80年代，褐藻酸盐就作为医用敷料用于伤口的护理[44]。医用敷料中使用最多的离子多糖是褐藻酸盐，它具有无毒、止血、高吸湿、高透氧、生物相容等性质，与常规的医用敷料相比更容易从伤口部位去除，可减少病人的疼痛感[45]。研究表明M含量高的褐藻酸盐能促使人的单核细胞产生细胞因子，从而促进慢性伤口的愈合[46]。山本大冢等[47]研究褐藻酸盐水凝胶用作外科手术密封材料的功效，结果表明，与传统缝合伤口对比，凝胶覆盖的伤口愈合速度更快且愈合效果更好，说明该凝胶能够有效地密封出血口并促进组织再生，因此在外科手术方面有着更广泛的应用前景。

2.2.3 药物递送载体

药物递送系统（drug delivery system，DDS）是利用载体负载药物，将药物输送到人体组织的特定位置并最大化发挥药效的系统[48]，其中药物递送载体的选择最为重要。良好的载体材料要具备以下条件：一是有生物相容性和稳定性，二是在可接受的时间内以预定方式释放药物，褐藻酸/褐藻酸盐作为药物递送载体具有无毒、良好的血液相容性、体内降解清除[49]的优点。国内外学者对这方面有广泛的研究，Diego S.Lima等[50]研究用于蛋白质输送的pH值响应型的藻酸盐基水凝胶，通过各种表征显示该水凝胶能够很好地与活细胞相容，说明其作为药物递送载体具有巨大的药理潜力。此外，褐藻酸盐与壳聚糖复合物在温和条件下掺入药物且不引起变性，所以是口服递送蛋白质药物的优异包封材料[51]。

2.2.4 生物技术中的应用

褐藻酸和褐藻酸盐具有十分优异的生物活性，在生物技术中应用广泛。其中，在固定化技术、组织工程和微囊技术中的应用比较成熟。

固定化技术是指用化学或物理的方法将微生物、细胞或酶定位在固定的区域内，同时保证被固定的物质保持活性并能反复使用[52]由于褐藻酸钠、褐藻酸钙相比其他材料具有毒性低、耐分解、容易固定且成本低的特点，多用作固定化技术中的载体。王静等[53]用褐藻酸钠作载体、戊二醛作交联剂固定化L-阿拉伯糖异构酶，固定化酶与游离酶相比显示出良好的操作稳定性。Preethi Jampala等[54]研究用于固定木聚糖酶的载体，结果表明褐藻酸钠固定化效果明显优于其他载体，经褐藻酸钠固定化的木聚糖酶热稳定性、pH值稳定性及储存稳定性有显著提高，扩大了该催化系统在食品和制药行业的应用。

由于褐藻酸盐具有成本低、可塑性高、生物相容性良好等优点，还能够负载生物活性分子[55]，被广泛用于组织工程领域，其中骨组织和软骨组织工程中应用最多。在骨组织工程中，褐藻酸盐具有骨生成能力且促进干细胞增殖[56]，还对成骨细胞有足够的黏附性，从而加快骨组织的愈合速度；软骨组织工程中，它能够提供软骨细胞生长的微环境[57]，维持细胞的表型及其表达，使软骨组织愈合速度加快。此外，褐藻酸盐也逐渐应用于肝脏、心肌、神经等组织器官再生工程中。

褐藻酸盐作为微囊技术中应用最多的天然材料，能够封装具有不同性质的大分子和小分子化合物[58]，包括细菌、细胞、蛋白质和微生物等。此外，还能够封装热不稳定性材料，所以褐藻酸是微囊化材料的最佳选择。

2.3 在其他方面的应用

在日化行业中，由于褐藻酸和褐藻酸盐具有良好的凝胶性、成膜性和增稠性，且对人体无毒无刺激，被用作乳液中的增稠剂、水合剂和稳定剂[59]，牙膏中的黏合剂[60]；在纺织行业中，褐藻酸钠是优良的印染糊料，经它处理的织物具有高的得色量、渗透性好[61]；在废水处理领域，褐藻酸盐可以作为吸附剂分离废水中的重金属离子，还可以通过固定化细胞、细菌、微生物等处理各种有机废水，从而降低废水中杂质的含量，达到国家排放标准。

3 结论

食品工业和生物医学中应用最为广泛的多糖是褐藻酸和褐藻酸盐，两种领域的快速发展使得高纯度褐藻酸盐的需求量增加。所以如何减少工艺流程中的杂质，并提高得率是值得关注的问题。目前，国内外提取褐藻酸/褐藻酸盐的主要方法是化学法。其工艺技术成熟，已广泛应用于工业化生产中，但生产过程中使用的酸碱可能会导致褐藻酸和褐藻酸盐结构的变化，影响其生理活性，并且加工过程中会产生大量废液废渣带来环境问题。因此，研究开发一种能够选择性浸出褐藻酸和褐藻酸盐的高效安全的碱性提取剂，以减少废液的产生，是日后褐藻酸/褐藻酸盐分离提取的新方向。

褐藻酸工业作为目前国内规模最大的海藻加工业，近年来发展迅速，但仍存在产品质量低、种类单一、效率低的问题。对此应加强对褐藻酸/褐藻酸盐的应用研究，提高褐藻酸和褐藻酸盐的生产技术水平，为社会创造更高的经济效益。